(57)【要約】【課題】測定精度が高く、また被測定物が傾いた場合にも別途傾き補正用の計測手段を追加することなく、安価かつコンパクトな装置構成で傾きの影響を補正可能な光学式厚さ測定方法および装置を提供することを目的とする。【解決手段】被測定物20の上側に投光手段1A，レンズ3a，イメージセンサ4a，画像処理手段6a，距離演算手段7aから成る光学式距離計10aを配置して、被測定面20aまでの距離を測定する。同様に、被測定物20下側に光学式距離計10bを配置して、被測定面20bまでの距離を測定する。少なくとも一方の光学式距離計において、２つの投光器から被測定面に相異なる方向から光ビームを交差するように照射し、イメージセンサ上に結像された２つの受光スポット間隔から被測定面までの距離測定をし、被測定物の傾きが無視できない場合は、２つの受光スポットの中点位置の情報を利用して、傾き補正演算手段9によって傾きを補正する。【選択図】図１
2006189389.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２台の光学式距離計を被測定物を挟んで対向させて配置し、前記光学式距離計で被測定面までの距離をそれぞれ測定し、該測定値と前記光学式距離計の配置間隔から被測定物の厚さを測定する光学式厚さ測定方法において、
少なくとも一方の光学式距離計において、被測定面に相異なる方向から２つの光ビームを交差させるように照射し、被測定面上の２つの光スポットを１つのイメージセンサで撮像し、イメージセンサ上における２つの光スポットの間隔ΔＸと２つの光スポットの中点位置Ｘcを計測し、あらかじめ求めておいたΔＸと被測定面までの距離との関係に基づいて、ΔＸの値から被測定面までの距離を算出するとともに、あらかじめ求めておいたΔＸおよびXcと被測定面の傾きとの関係に基づいて、ΔＸおよびXcの値から被測定面の傾きを算出し、該傾きに起因する厚さ測定誤差を補正して被測定物の厚さを算出することを特徴とする光学式厚さ測定方法
【請求項２】
被測定物を挟んで対向させて配置した２台の光学式距離計と、該光学式距離計で測定した被測定面までの距離から被測定物の厚さを算出する厚さ演算手段によって構成される光学式厚さ測定装置において、
少なくとも一方の光学式距離計が、被測定面に相異なる方向から２つの光ビームを交差させるように照射する投光手段と、
被測定面上の２つの光スポットを撮像するイメージセンサと、イメージセンサ上における２つの光スポットの間隔ΔＸを計測する画像処理手段と、
あらかじめ求めておいたΔＸと被測定面までの距離との関係に基づいて、ΔＸの値から被測定面までの距離を算出する距離演算手段とによって構成されることを特徴とする光学式厚さ測定装置。
【請求項３】
被測定物を挟んで対向させて配置した２台の光学式距離計と、該光学式距離計で測定した被測定面までの距離から被測定物の厚さを算出する厚さ演算手段によって構成される光学式厚さ測定装置において、
少なくとも一方の光学式距離計が、被測定面に相異なる方向から２つの光ビームを交差させるように照射する投光手段と、
被測定面上の２つの光スポットを撮像するイメージセンサと、イメージセンサ上における２つの光スポットの間隔ΔＸおよび２つの光スポットの中点位置Ｘcを計測する画像処理手段と、
あらかじめ求めておいたΔＸと被測定面までの距離との関係に基づいて、ΔＸの値から被測定面までの距離を算出する距離演算手段と、
あらかじめ求めておいたΔＸおよびXcと被測定面の傾きとの関係に基づいて、ΔＸおよびXcの値から被測定面の傾きを算出し、該傾きに起因する厚さ測定誤差を求め、前記厚さ演算手段で算出した被測定物の厚さを補正する傾き補正演算手段とによって構成されることを特徴とする光学式厚さ測定装置。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の光学式変位測定装置において、
前記投光手段が、単一の光源と、該光源から照射された光ビームを２つに分岐する光分岐手段と、分岐された２つの光ビームを被測定面に相異なる方向から交差するように照射する投光光学系とによって構成されることを特徴とする光学式厚さ測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼板などの材料の厚さを非接触で測定するための光学式厚さ測定方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋼板などの被測定物の厚さを非接触で測定する方法として、図２に示すように、被測定物20に対して2台の光学式距離計10a，10bを被測定物3を挟むように配置し、これらの距離計の配置間隔Lと２つの距離計の各測定値Za，Zbから、（１）式によって被測定物の厚さｔを測定する方法が知られている。
【０００３】
ｔ＝L−Za−Zb               ・・・（１）
光学式距離計としては一般に、三角測量法の原理に基づくものが使われおり、例えば特許第２５１９３７５号公報（特許文献１）に開示された技術がある。三角測量法による光学距離計の原理を、図３に示す。投光器１から光ビーム２を被測定物20の被測定面20aに照射し、被測定面20aで反射された光ビームを、レンズ3を介してイメージセンサ4上に結像する。被測定面20aが図3の上下方向に変位するとイメージセンサ上の受光スポット5の位置が変化することを利用して、被測定面20aまでの距離を計測することができる。
【０００４】
このような厚さ測定法では被測定物が傾くと、この傾きが直接、測定誤差となる。すなわち図４に示すように、被測定物20が距離計の測定方向と垂直な面に対して角度θだけ傾いた場合、上記の厚さ測定法による測定結果ｔ’は実際の被測定物の厚さｔよりも大きくなり、（２）式のようになる。
【０００５】
t’ = t / cosθ                         ・・・（２）
このような被測定物傾きによる誤差は、搬送中の被測定物の厚さを高精度で測定する場合などでは問題になる。この対策として、例えば特開平７−２８０５２６号公報（特許文献２）には、光学式距離計の個数を増やすことにより、被測定物の傾きを検出・補正する方法が提案されている。これは図５に示すように、厚さ測定用の光学式距離計10a,10bに加え、被測定物20の上面20aあるいは下面20bのいずれかに、光学式距離計10cおよび10dを増設し、光学式距離計10cおよび10dによって被測定物20の傾き角θを検出して、（２）式の関係を利用して傾きの影響を補正するものである
【特許文献１】特許第２５１９３７５号公報
【特許文献２】特開平７−２８０５２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の三角測量法に基づく光学式距離計の測定精度は、投光軸と受光軸の交差角φ（図８(a)参照）を大きくするほど向上する。しかしながら、φを大きくしすぎると、（１）被測定面の凸部により受信光が遮蔽される、いわゆるシャドウ効果が問題になる、（２）被測定面が比較的鏡面性の強い表面の場合、イメージセンサの受光強度が著しく低下する、（３）変位計の寸法が大きくなる、といった問題が生じてくるため、実用的にはφを数十度以上にはできない。このため、一般に、三角測量法による距離計の測定精度は、測定範囲の0.05%程度が限界である。
【０００７】
各光学式距離計の測定精度が距離計測定範囲の0.05%のとき、（１）式によって算出される厚さｔの測定精度は、距離計測定範囲の0.07%程度になり、これ以上の高精度が要求される厚さ測定用途には適用できないという問題があった。
【０００８】
また、たとえば搬送中の鋼板などの厚さを測定する場合は、鋼板の傾きの影響が問題になるが、上述の特許文献２に提案されている方法では、４台の光学的距離計を設置する必要があるため、厚さ測定装置全体が複雑になり、かつ寸法も大きくなり、経済的にも高価になるという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、測定精度が高く、また被測定物が傾いた場合にも別途傾き補正用の計測手段を追加することなく、安価かつコンパクトな装置構成で傾きの影響を補正可能な光学式厚さ測定方法および装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の請求項１に係る発明は、２台の光学式距離計を被測定物を挟んで対向させて配置し、前記光学式距離計で被測定面までの距離をそれぞれ測定し、該測定値と前記光学式距離計の配置間隔から被測定物の厚さを測定する光学式厚さ測定方法において、少なくとも一方の光学式距離計において、被測定面に相異なる方向から２つの光ビームを交差させるように照射し、被測定面上の２つの光スポットを１つのイメージセンサで撮像し、イメージセンサ上における２つの光スポットの間隔ΔＸと２つの光スポットの中点位置Ｘcを計測し、あらかじめ求めておいたΔＸと被測定面までの距離との関係に基づいて、ΔＸの値から被測定面までの距離を算出するとともに、あらかじめ求めておいたΔＸおよびXcと被測定面の傾きとの関係に基づいて、ΔＸおよびXcの値から被測定面の傾きを算出し、該傾きに起因する厚さ測定誤差を補正して被測定物の厚さを算出することを特徴とする光学式厚さ測定方法である。
【００１１】
また本発明の請求項２に係る発明は、被測定物を挟んで対向させて配置した２台の光学式距離計と、該光学式距離計で測定した被測定面までの距離から被測定物の厚さを算出する厚さ演算手段によって構成される光学式厚さ測定装置において、少なくとも一方の光学式距離計が、被測定面に相異なる方向から２つの光ビームを交差させるように照射する投光手段と、被測定面上の２つの光スポットを撮像するイメージセンサと、イメージセンサ上における２つの光スポットの間隔ΔＸを計測する画像処理手段と、あらかじめ求めておいたΔＸと被測定面までの距離との関係に基づいて、ΔＸの値から被測定面までの距離を算出する距離演算手段とによって構成されることを特徴とする光学式厚さ測定装置である。
【００１２】
また本発明の請求項３に係る発明は、被測定物を挟んで対向させて配置した２台の光学式距離計と、該光学式距離計で測定した被測定面までの距離から被測定物の厚さを算出する厚さ演算手段によって構成される光学式厚さ測定装置において、少なくとも一方の光学式距離計が、被測定面に相異なる方向から２つの光ビームを交差させるように照射する投光手段と、被測定面上の２つの光スポットを撮像するイメージセンサと、イメージセンサ上における２つの光スポットの間隔ΔＸおよび２つの光スポットの中点位置Ｘcを計測する画像処理手段と、あらかじめ求めておいたΔＸと被測定面までの距離との関係に基づいて、ΔＸの値から被測定面までの距離を算出する距離演算手段と、あらかじめ求めておいたΔＸおよびXcと被測定面の傾きとの関係に基づいて、ΔＸおよびXcの値から被測定面の傾きを算出し、該傾きに起因する厚さ測定誤差を求め、前記厚さ演算手段で算出した被測定物の厚さを補正する傾き補正演算手段とによって構成されることを特徴とする光学式厚さ測定装置である。
【００１３】
さらに本発明の請求項４に係る発明は、請求項２または請求項３に記載の光学式変位測定装置において、前記投光手段が、単一の光源と、該光源から照射された光ビームを２つに分岐する光分岐手段と、分岐された２つの光ビームを被測定面に相異なる方向から交差するように照射する投光光学系とによって構成されることを特徴とする光学式厚さ測定装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、光学式距離計として、２つの光ビームを交差して照射し、その受光スポット間隔に基づいて被測定物の距離を検出するようにしたので、従来の三角測量法を用いた光学式距離計よりも測定感度を高くすることができ、この結果、厚さ測定精度を向上させることが可能になった。
【００１５】
また、イメージセンサ上の２つの受光スポットの相対的間隔と受光スポット中点位置を計測することにより、被測定面までの距離と被測定面の傾きを同時に計測できるため、別途、傾き測定手段を追加して設置することなく、安価かつコンパクトな装置構成で、被測定物の傾きに起因する厚さ測定誤差を補正できるので厚さ測定精度を向上させることが可能になった。
【００１６】
さらに、本発明で用いる光学式距離計は、イメージセンサ上の受光スポットの絶対位置ではなく、２つの受光スポットの相対的間隔に基づいて距離を計測するため、単一の光源から出射された光ビームを２つに分岐し、これらを互いに交差するように被測定面に照射する装置構成にすることにより、光源からの光ビームの出射角度の変動などによるイメージセンサ上での受光スポット位置の変動を相殺でき、この結果、測定精度を向上させることができるという効果もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の厚さ測定装置の構成例を図１に、本発明を実施する上でのフローチャート例を図６にそれぞれ示す。以下、図１および図６に基づいて本発明の厚さ測定方法および装置について説明する。
【００１８】
被測定物20の上側に投光手段1A，レンズ3a，イメージセンサ4a，画像処理手段6a，距離演算手段7aから成る光学式距離計10aを配置して、被測定面20aまでの距離を測定する。また、被測定物20下側に投光手段1B，レンズ3b，イメージセンサ4b，画像処理手段6b，距離演算手段7bから成る光学式距離計10bを配置して、被測定面20bまでの距離を測定する。各距離計において、投光手段は２つの投光器を備え、２つの投光器から被測定面に相異なる方向から光ビームを交差するように照射し（Step100,101）、イメージセンサ上に結像された２つの受光スポット間隔から被測定面までの距離を測定する（Step200,201,300,301,400,401）。これらの距離計の測定値を用いて、厚さ演算手段8で、（１）式によって被測定物の厚さｔを演算する（Step600）。また、被測定物の傾きが無視できない場合は、画像処理手段6a（または画像処理手段6b）で計測された２つの受光スポットの中点位置の情報を利用して、傾き補正演算手段9によって被測定物の傾きを（２）式に基づいて補正して、正確な厚さを求めるようにする（Step500,600）。
【００１９】
ここで、光学式距離計10aの測定原理について、図７に基づいて詳細に説明する。投光器1および投光器1’から被測定面20aに向けて、それぞれ光ビーム2，2’を照射する（Step100）。投光する光の種類としては、直進性および強度に優れたレーザを用いるのが好ましいが、ＬＥＤ、あるいはハロゲンランプのような白色光であっても構わない。また、距離測定精度を上げるためには被測定面上のビーム径を小さくするのが好ましいので、各投光器には照射するビーム径を絞るためのレンズ系を備えるのが望ましい。さらに、２つの光ビームの強度、波長、ビーム径、および被測定面に対する入射角は、後の画像処理の煩雑さをなくすためには、ほぼ同等とするのが好ましい。
【００２０】
被測定面20a上での２つの光ビーム照射点を集光レンズ3を介して１つのイメージセンサ4に結像させる（Step200）。イメージセンサとしては、CCDラインセンサカメラやCMOSラインセンサカメラなどが好適である。被測定面20aが図７において上下方向に変位すると、幾何学的に容易にわかるように、イメージセンサ4上に結像された２つの受光スポット5および5’の間隔ΔＸが変化する。すなわち、被測定面までの距離が大きくなるほど、ΔＸは小さくなる。したがって、あらかじめ被測定面までの距離とΔＸの関係を校正試験片などによって求めておけば、ΔＸを計測することにより被測定面までの距離を求めることができる。
【００２１】
図8には、距離計寸法とイメージセンサ画角を同条件にした場合の両距離計の測定感度を計算した結果例を示す。本例では、図８(a)に示す変位計寸法Ｌおよびイメージセンサの画角βを同条件（Ｌ＝300mm、β＝7.8°）にして，測定距離350〜450ｍｍの範囲の被測定面20aの距離を測定した場合の、それぞれの距離計の測定感度、すなわち、イメージセンサ上における受光スポット位置あるいは間隔の変化量を図８(b)に示す。本例からわかるように、図7に示す距離計の方が従来の距離計に比べて測定感度が高いことが確認できる。したがって本発明で用いる距離計は微小な距離変化の検出能に優れ、これを用いることにより、従来の三角測量式距離計を用いた場合に比べ、より高精度の厚さ測定が可能になる。
【００２２】
次に、本発明において、被測定物の傾きを検出し補正する方法について、図９および図10に基づいて詳細に説明する。イメージセンサ4a上の受光波形には図10(i)のように、２つの受光スポットが現れる。簡単のため、２つの投光器から出射される２つの光ビームの入射角が等しい場合、すなわちイメージセンサに対して２つの光ビームが幾何学的に対称な場合を考える。
【００２３】
被測定面までの距離が変化すると、この２つの受光スポットの間隔ΔＸが変化するが、この２つの受光スポットの中点の位置Xcに着目すると、被測定面の傾きθ＝0のときは、被測定面までの距離の大小に関わらず、左右の対称性から、Xcの位置は不変になる。ところが被測定面が角度θ（＞0）だけ傾くと、イメージセンサ4a上の受光波形は図10(ii)のようになり、イメージセンサ上のXcの位置は変化する。また被測定面が逆向きに傾いた場合（θ＜0）は、イメージセンサ上のXcの位置は図10(iii)のように逆向きに変化する。Xcの値はθが大きくなるにつれて単調に変化するため、Xcの変化量を計測することによって被測定面の傾きを検出することができる。
【００２４】
実際には、Xcの変化量と傾きθの関係は、被測定面までの距離にも依存するので、あらかじめ被測定面の傾きとΔＸおよびＸcの関係を校正試験片などによって求めておく必要がある。図11に、4096素子のイメージセンサを用いた場合の、被測定面の傾きθとΔＸおよびＸcの関係を例示する。たとえば今、ΔＸ＝2926画素で、Ｘc＝2057.5画素であったとすると、図中に記した矢印から、被測定面の傾きθが1.95°であることがわかる。傾き補正演算手段にあらかじめ、図11に示すような関係をテーブルあるいは近似多項式などの形で記憶させておく。傾き補正演算手段は、画像処理手段によって計測されたΔＸとＸcの値を用いて、傾きθを一意に求めて、（２）式を利用して被測定面の傾きによる厚さ測定誤差を補正することができる。  
【００２５】
２つの投光器から出射される２つの光ビームの入射角が等しくない場合は、被測定面の傾きがない（θ=0）ときでも、受光スポットの中点位置Xcは被測定面までの距離によって変化するが、この場合でも、あらかじめΔＸとＸcとθの関係を求めておけば、上記と同様にしてθを算出することができる。
【００２６】
なお、上記の説明では、傾きθを上面距離計の測定値から算出する場合を記したが、下面距離計の測定値から算出しても構わない。また、上面および下面距離計でそれぞれθを算出し、その平均値をとるようにしてもよい。また、被測定物の傾きが無視できる場合には、受光スポットの中点位置Xcを計測して、傾き角度θの影響を補正する手順を省略することも可能である。
【００２７】
上記では、被測定物を挟んでその両側に２つの光ビームの受光スポット間隔に基づいた光学式距離計を使用する場合について述べたが、片側の光学式距離計は従来の三角測量式距離計を用いるようにしてもよい。たとえば、厚さ測定精度は従来の三角測量方式の距離計を用いても十分であるが、被測定物の傾きによる測定誤差を補正したいケースなどでは、片側の距離計だけを本発明で提示する方式のものとすればよい。
【００２８】
本発明で用いる光学式距離計には、２つの投光器を備えた投光手段を用いるが、この２つの投光器にはそれぞれ相異なる光源を有するものであってもよいが、同一の光源から出射された光ビームを２分して投光するようにしてもよい。すなわち図12に示すように、単一の光源1から出射された光ビームを光分岐手段31で２つに分岐し、その各々のビームを２つの投光光学系32,32’により適当なビーム径および入射角に調整して被測定面20a上に交差させるように照射するものであってもよい。
【００２９】
この場合、光分岐手段としてはビームスプリッタを、投光光学系としてはレンズ光学系を用いる。また、光源から出射される光ビームを光ファイバーで伝送し、光分岐手段としてファイバーカプラーを用いる構成としてもよい。このように同一の光源から出射された光ビームを2分して被測定面に照射すると、光源からの光ビーム出射角度の変動などに起因してイメージセンサ上で受光スポット位置のずれが生じた場合でも、２つの受光スポット間隔に基づいて距離を計測することによりこのずれを相殺でき、この結果、測定精度を向上させることができる利点がある。これに対し、従来の三角測量式の距離計では、イメージセンサ上の受光スポットの絶対位置に基づいて距離を計測するため、このようなスポットの位置ずれが直接測定誤差になる。 
【実施例】
【００３０】
図13は、本発明の一実施例を示す装置構成図である。本実施例は、厚さ7mm〜21mmの４枚の鋼板の板厚を、交差する２つのビームを利用した２組の光学距離計を用いて測定したものである。各光学距離計において、投光手段として２つの半導体レーザ（波長640nm，出力10mW）、イメージセンサとして4096画素のCCDラインセンサカメラを用いた。各半導体レーザから出射された光ビームはレンズで集光させることにより、鋼板上でビーム径0.3mm程度になるようにした。またCCDカメラには、４群５枚のレンズ系（焦点距離105mm）を装着した。CCDラインセンサカメラの撮像タイミングの制御および撮像データの採取は、パソコン内に組み込んだ画像処理ボードで行った。CCDラインセンサカメラからの撮像データから各受光スポット位置の計測、受光スポット間隔ΔXおよび受光スポット中点位置Xcの計測（Xcは、上面の距離計データから算出）、ΔXから距離への換算、ΔXとXcから傾き角θの算出、２つの距離算出値とθからの板厚ｔの計算は、すべてパソコン内のソフトウェア処理によって行った。
【００３１】
本発明による厚さ測定と対比するため、接触式のマイクロメータによる板厚測定、および従来法である三角測量式距離計を2組使用した場合の板厚測定も実施した。各測定装置による4枚の鋼板の厚さ測定結果を表１に示す。表1より、本発明の厚さ計の測定値と接触式のマイクロメータによる測定値は、接触式マイクロメータの測定バラツキ範囲内（3μm以内）でほとんど一致しており、良好な結果が得られた。また従来の厚さ計の測定値は、本発明に比べ測定精度が劣ることが確認された。
【００３２】
【表１】
2006189389.tif 000003
【００３３】
次に同一の鋼板を用いて、鋼板を故意に所定角度θだけ傾けて、傾きに起因する測定誤差を評価した。この結果を表２に示す。マイクロメータによる測定は傾きのない状態で１回だけ行ったものである。マイクロメータの厚さ測定値を真とした場合、従来の厚さ計では傾きθ＝4°のとき17μmの測定誤差を生じたが、本発明の厚さ計では2μmの測定誤差しか生じておらず、本発明による傾き補正の効果が確認された。
【００３４】
なお本実施例では各距離計の光源として２つの半導体レーザを用いた場合について説明したが、前述のように、１つのレーザビームを２分岐して照射するようにしてもよい。
【００３５】
【表２】
2006189389.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の厚さ測定装置の構成例を示す模式図である。
【図２】光学式距離計を用いた厚さ測定の原理を示す模式図である。
【図３】従来の光学式距離計の原理を示す模式図である。
【図４】従来の厚さ測定における問題点を説明する模式図である。
【図５】従来の厚さ測定装置の構成を示す模式図である。
【図６】本発明の厚さ測定を実施する上でのフローチャートである。
【図７】本発明の厚さ測定に用いる光学式距離計の原理を示す模式図である。
【図８】本発明および従来の光学式距離計の測定感度を示す特性図である。
【図９】本発明における傾き補正の原理を示す模式図である。
【図１０】本発明において傾きθによる受光波形変化を示す模式図である。
【図１１】測定パラメータと被測定面の傾きの関係を示す特性図である。
【図１２】本発明の一実施形態を示す模式図である。
【図１３】本発明の一実施例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３７】
1Ａ、１Ｂ          投光手段
１ａ、１ａ’、１ｂ、１ｂ’    投光器
２、２ａ、２ｂ     光ビーム
３、３ａ、３ｂ     レンズ
４、４ａ、４ｂ     イメージセンサ
５、５’           受光スポット
６ａ、６ｂ         画像処理手段
７ａ、７ｂ         距離演算手段
８                 厚さ演算手段
９                 傾き補正演算手段
１０、１０ａ、１０ｂ 光学式距離計
２０               被測定物
２０ａ、２０ｂ      被測定面
３１               光分岐手段
３２、３２’       投光光学系
【図１】
2006189389.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2006189389.tif 000013
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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